現(xiàn)代控制理論課件

講授:鐘再敏教授Tel：1304063186E-mail：zm_zhong@助教:成績:期終考試:70%作業(yè):15%出席:15%現(xiàn)代控制理論基礎(chǔ)

同濟(jì)大學(xué)汽車學(xué)院CollegeofAutomotive,TongjiUniversity教材：曲延濱.王新生.現(xiàn)代控制理論基礎(chǔ).哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社.2005課程內(nèi)容：

緒論控制系統(tǒng)的狀態(tài)空間描述線性控制系統(tǒng)的運動分析線性控制系統(tǒng)的能控性和能觀性控制系統(tǒng)的李雅普諾夫穩(wěn)定性分析狀態(tài)反饋和狀態(tài)觀測器最優(yōu)控制同濟(jì)大學(xué)汽車學(xué)院CollegeofAutomotive,TongjiUniversity第一章

緒論

§1.1現(xiàn)代控制理論的產(chǎn)生與發(fā)展

§1.2現(xiàn)代控制理論的內(nèi)容

§1.3現(xiàn)代控制理論與經(jīng)典控制理論的差異

§1.4現(xiàn)代控制理論的應(yīng)用同濟(jì)大學(xué)汽車學(xué)院CollegeofAutomotive,TongjiUniversity

§1.1現(xiàn)代控制理論的產(chǎn)生與發(fā)展控制理論作為一門科學(xué)技術(shù)，已經(jīng)廣泛地運用于我們社會生活的方方面面。洗衣機智能控制電冰箱溫度控制1.1現(xiàn)代控制理論的產(chǎn)生與發(fā)展第一階段:經(jīng)典(自動)控制理論

經(jīng)典控制理論即古典控制理論,也稱為自動控制理論。它的發(fā)展大致經(jīng)歷了以下幾個過程：一萌芽階段如果要追朔自動控制技術(shù)的發(fā)展歷史,早在兩千年前中國就有了自動控制技術(shù)的萌芽?？刂评碚摰漠a(chǎn)生和發(fā)展要分為以下幾個發(fā)展階段：1.1現(xiàn)代控制理論的產(chǎn)生與發(fā)展1.兩千年前我國發(fā)明的

指南車，就是一種開

環(huán)自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)。指南車2.公元1086－1089年

（北宋哲宗元祐初年），

我國發(fā)明的水運儀象臺，

就是一種閉環(huán)自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)。水運儀象臺1.1現(xiàn)代控制理論的產(chǎn)生與發(fā)展二起步階段隨著科學(xué)技術(shù)與工業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展，到十八世紀(jì)，自動控制技術(shù)逐漸應(yīng)用到現(xiàn)代工業(yè)中。其中最卓越的代表是瓦特（J.Watt）發(fā)明的蒸汽機離心調(diào)速器，加速了第一次工業(yè)革命的步伐。瓦特1.1現(xiàn)代控制理論的產(chǎn)生與發(fā)展三發(fā)展階段1.1868年馬克斯韋爾（J.C.Maxwell）解決了蒸汽機調(diào)速系統(tǒng)中出現(xiàn)的劇烈振蕩的不穩(wěn)定問題，提出了簡單的穩(wěn)定性代數(shù)判據(jù)。馬克斯韋爾（J.C.Maxwell）1.1現(xiàn)代控制理論的產(chǎn)生與發(fā)展1895年勞斯（Routh）與赫爾維茨（Hurwitz）把馬克斯韋爾的思想擴展到高階微分方程描述的更復(fù)雜的系統(tǒng)中,各自提出了兩個著名的穩(wěn)定性判據(jù)—勞斯判據(jù)和赫爾維茨判據(jù)。基本上滿足了二十世紀(jì)初期控制工程師的需要。

赫爾維茨（Hurwitz）1.1現(xiàn)代控制理論的產(chǎn)生與發(fā)展3.由于第二次世界大戰(zhàn)需要控制系統(tǒng)具有準(zhǔn)確跟蹤與補償能力，1932年奈奎斯特（H.Nyquist）提出了頻域內(nèi)研究系統(tǒng)的頻率響應(yīng)法，為具有高質(zhì)量的動態(tài)品質(zhì)和靜態(tài)準(zhǔn)確度的軍用控制系統(tǒng)提供了所需的分析工具。

奈奎斯特1.1現(xiàn)代控制理論的產(chǎn)生與發(fā)展4.1948年伊萬斯（W.R.Ewans）提出了復(fù)數(shù)域內(nèi)研究系統(tǒng)的根軌跡法。

建立在奈奎斯特的頻率響應(yīng)法和伊萬斯的根軌跡法基礎(chǔ)上的理論，稱為經(jīng)典（古典）控制理論（或自動控制理論）。1.1現(xiàn)代控制理論的產(chǎn)生與發(fā)展四標(biāo)志階段

1.1947年控制論的奠基人美國數(shù)學(xué)家韋納（N.Weiner）把控制論引起的自動化同第二次產(chǎn)業(yè)革命聯(lián)系起來，并與1948年出版了《控制論—關(guān)于在動物和機器中控制與通訊的科學(xué)》，書中論述了控制理論的一般方法，推廣了反饋的概念，為控制理論這門學(xué)科奠定了基礎(chǔ)?？刂普撝浮f納1.1現(xiàn)代控制理論的產(chǎn)生與發(fā)展2.我國著名科學(xué)家錢學(xué)森將控制理論應(yīng)用于工程實踐，并與1954年出版了《工程控制論》。錢學(xué)森1.1現(xiàn)代控制理論的產(chǎn)生與發(fā)展從四十年代到五十年代末，經(jīng)典控制理論的發(fā)展與應(yīng)用使整個世界的科學(xué)水平出現(xiàn)了巨大的飛躍，幾乎在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、交通運輸及國防建設(shè)的各個領(lǐng)域都廣泛采用了自動化控制技術(shù)。（可以說工業(yè)革命和戰(zhàn)爭促使了經(jīng)典控制理論的發(fā)展）。問題:(正/負(fù))反饋,頻率,穩(wěn)定,校正的本質(zhì)1.1現(xiàn)代控制理論的產(chǎn)生與發(fā)展第二階段現(xiàn)代控制理論

科學(xué)技術(shù)的發(fā)展不僅需要迅速地發(fā)展控制理論，而且也給現(xiàn)代控制理論的發(fā)展準(zhǔn)備了兩個重要的條件—現(xiàn)代數(shù)學(xué)和數(shù)字計算機?，F(xiàn)代數(shù)學(xué)，例如泛函分析、現(xiàn)代代數(shù)等，為現(xiàn)代控制理論提供了多種多樣的分析工具；而數(shù)字計算機為現(xiàn)代控制理論發(fā)展提供了應(yīng)用的平臺。在二十世紀(jì)五十年代末開始，隨著計算機的飛速發(fā)展，推動了核能技術(shù)、空間技術(shù)的發(fā)展，從而對出現(xiàn)的多輸入多輸出系統(tǒng)、非線性系統(tǒng)和時變系統(tǒng)。

1.1現(xiàn)代控制理論的產(chǎn)生與發(fā)展1.五十年代后期，貝爾曼（Bellman）等人提出了狀態(tài)分析法；在1957年提出了動態(tài)規(guī)劃。2.1959年卡爾曼（Kalman）和布西創(chuàng)建了卡爾曼濾波理論；1960年在控制系統(tǒng)的研究中成功地應(yīng)用了狀態(tài)空間法，并提出了可控性和可觀測性的新概念?？柭?.1現(xiàn)代控制理論的產(chǎn)生與發(fā)展4.羅森布洛克（H.H.Rosenbrock）、歐文斯（D.H.Owens）和麥克法輪（G.J.MacFarlane）研究了使用于計算機輔助控制系統(tǒng)設(shè)計的現(xiàn)代頻域法理論，將經(jīng)典控制理論傳遞函數(shù)的概念推廣到多變量系統(tǒng)，并探討了傳遞函數(shù)矩陣與狀態(tài)方程之間的等價轉(zhuǎn)換關(guān)系，為進(jìn)一步建立統(tǒng)一的線性系統(tǒng)理論奠定了基礎(chǔ)3.1961年龐特里亞金（俄國人）提出了極小（大）值原理。龐特里亞金.S.Pontryagin1.1現(xiàn)代控制理論的產(chǎn)生與發(fā)展4.羅森布洛克（H.H.Rosenbrock）、歐文斯（D.H.Owens）和麥克法輪（G.J.MacFarlane）研究了使用于計算機輔助控制系統(tǒng)設(shè)計的現(xiàn)代頻域法理論，將經(jīng)典控制理論傳遞函數(shù)的概念推廣到多變量系統(tǒng)，并探討了傳遞函數(shù)矩陣與狀態(tài)方程之間的等價轉(zhuǎn)換關(guān)系，為進(jìn)一步建立統(tǒng)一的線性系統(tǒng)理論奠定了基礎(chǔ)1.1現(xiàn)代控制理論的產(chǎn)生與發(fā)展5.20世紀(jì)70年代奧斯特隆姆（瑞典）和朗道（法國，L.D.Landau）在自適應(yīng)控制理論和應(yīng)用方面作出了貢獻(xiàn)。

與此同時，關(guān)于系統(tǒng)辨識、最優(yōu)控制、離散時間系統(tǒng)和自適應(yīng)控制的發(fā)展大大豐富了現(xiàn)代控制理論的內(nèi)容。

朗道L.D.Landau1.1現(xiàn)代控制理論的產(chǎn)生與發(fā)展第三階段魯棒控制理論階段

1.由于現(xiàn)代數(shù)學(xué)的發(fā)展，結(jié)合著H2和H等范數(shù)而出現(xiàn)了H2和H控制，還有逆系統(tǒng)控制等方法。2.20世紀(jì)70年代末，控制理論向著“大系統(tǒng)理論”、“智能控制理論”和“復(fù)雜系統(tǒng)理論”的方向發(fā)展：1.1現(xiàn)代控制理論的產(chǎn)生與發(fā)展大系統(tǒng)理論：用控制和信息的觀點，研究各種大系的結(jié)構(gòu)方案、總體設(shè)計中的分解方法和協(xié)調(diào)等問題的技術(shù)基礎(chǔ)理論。復(fù)雜大系統(tǒng)控制1.1現(xiàn)代控制理論的產(chǎn)生與發(fā)展智能控制理論：研究與模擬人類智能活動及其控制與信息傳遞過程的規(guī)律，研制具有某些擬人智能的工程控制與信息處理系統(tǒng)的理論。洗衣機智能模糊控制機器人神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制1.1現(xiàn)代控制理論的產(chǎn)生與發(fā)展復(fù)雜系統(tǒng)理論：把系統(tǒng)的研究拓廣到開放復(fù)雜巨系統(tǒng)的范籌，以解決復(fù)雜系統(tǒng)的控制為目標(biāo)。

回顧控制理論的發(fā)展歷程可以看出，它的發(fā)展過程反映了人類由機械化時代進(jìn)入電氣化時代，并走向自動化、信息化、智能化時代。復(fù)雜航天器控制1.1現(xiàn)代控制理論的產(chǎn)生與發(fā)展現(xiàn)代控制理論基礎(chǔ)的內(nèi)容為:線性系統(tǒng)理論最優(yōu)控制理論最優(yōu)估計理論系統(tǒng)辨識理論自適應(yīng)控制理論智能控制理論§1.2現(xiàn)代控制理論基礎(chǔ)的內(nèi)容1.2現(xiàn)代控制理論基礎(chǔ)的內(nèi)容§1.3現(xiàn)代控制理論與經(jīng)典控制理論的差異經(jīng)典控制理論現(xiàn)代控制理論

研究對象單輸入單輸出系統(tǒng)(SISO)高階微分方程

多輸入多輸出系統(tǒng)(MIMO):一階微分方程

研究方法傳遞函數(shù)法(外部描述)

狀態(tài)空間法(內(nèi)部描述)

研究工具拉普拉斯變換

線性代數(shù)矩陣

分析方法頻域(復(fù)域),頻率響應(yīng)和根軌跡法

復(fù)域、實域，可控和可觀測

設(shè)計方法PID控制和校正網(wǎng)絡(luò)

狀態(tài)反饋和輸出反饋

其他

頻率法的物理意義直觀、實用，難于實現(xiàn)最優(yōu)控制

易于實現(xiàn)實時控制和最優(yōu)控制1.3現(xiàn)代控制理論與經(jīng)典控制理論的差異§1.3現(xiàn)代控制理論的應(yīng)用比起經(jīng)典控制理論,現(xiàn)代控制理論考慮問題更全面、更復(fù)雜,主要表現(xiàn)在考慮系統(tǒng)內(nèi)部之間的耦合,系統(tǒng)外部的干擾,但符合從簡單到復(fù)雜的規(guī)律。現(xiàn)代控制理論已經(jīng)應(yīng)用在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、交通運輸及國防建設(shè)等各個領(lǐng)域。1.4現(xiàn)代控制理論的應(yīng)用倒立擺穩(wěn)定控制單級倒立擺穩(wěn)定控制二級倒立擺穩(wěn)定控制1.4現(xiàn)代控制理論的應(yīng)用導(dǎo)彈穩(wěn)定控制空空導(dǎo)彈穩(wěn)定控制地空導(dǎo)彈穩(wěn)定控制1.4現(xiàn)代控制理論的應(yīng)用航天器控制月球車控制衛(wèi)星控制1.4現(xiàn)代控制理論的應(yīng)用機器人控制空間機器人控制足球機器人控制1.4現(xiàn)代控制理論的應(yīng)用[課堂小結(jié)]現(xiàn)代控制理論的產(chǎn)生、發(fā)展、內(nèi)容、研究方法和應(yīng)用；2.經(jīng)典控制理論與現(xiàn)代控制理論的差異；3.現(xiàn)代控制理論的應(yīng)用。End同濟(jì)大學(xué)汽車學(xué)院CollegeofAutomotive,TongjiUniversity

指南車與司南、指南針等相比在指南的原理上截然不同。它的車箱里裝著非常巧妙而復(fù)雜的機械。是一種雙輪獨轅車。它的中央有一個大平輪，木頭人就豎立在上面。在大平輪兩旁，裝著很多小齒輪。如果車子向左轉(zhuǎn)，右邊的車輪就會帶動小齒輪，小齒輪再帶動大平輪，使大平輪相反地向右轉(zhuǎn)。如果車子向右轉(zhuǎn)，同樣地，大平輪則向左轉(zhuǎn)。因此，只要指南車開動以前，先讓木頭人的右手指向南方，以后車子不論是向左轉(zhuǎn)還是向右轉(zhuǎn)，木頭人的右手就總是指向南方。指南車是利用齒輪的原理造成的。這種齒輪傳動類似現(xiàn)代汽車用的差動齒輪，相當(dāng)于汽車中差動齒輪的逆向使用原理。這種指南車，可以說是世界上最早的自動化設(shè)備。

指南車

指南車是我國古代偉大的發(fā)明之一，也是世界上最早的控制論機械之一。用英國著名科學(xué)史專家李約瑟的話說，中國古代的指南車“可以說是人類歷史上邁向控制論機器的第一步”，是人類“第一架體內(nèi)穩(wěn)定機”。

整個水運儀象臺高12米，寬7米，共分3層，相當(dāng)于一幢四層樓的建筑物。最上層的板屋內(nèi)放置著1臺渾儀，屋的頂板可以自由開啟，平時關(guān)閉屋頂，以防雨淋，這已經(jīng)具有現(xiàn)代天文觀測室的雛型了；中層放置著一架渾象；下層又可分成五小層木閣，每小層木閣內(nèi)均安排了若干個木人，5層共有162個木人，它們各司其職：每到一定的時刻，就會有木人自行出來打鐘、擊鼓或敲打樂器、報告時刻、指示時辰等。在木閣的后面放置著精度很高的兩級漏刻和一套機械傳動裝置，可以說這里是整個水運儀象臺的“心臟”部分，用漏壺的水沖動機輪，驅(qū)動傳動裝置，渾儀、渾象和報時裝置便會按部就班地動作起來。

這臺儀器的制造水平堪稱一絕，充分體現(xiàn)了我國古代人民的聰明才智和富于創(chuàng)造的精神。水運儀象臺

水運儀象臺是我國古代一種大型的天文儀器，由宋朝天文學(xué)家蘇頌等人創(chuàng)建。它是集觀測天象的渾儀、演示天象的渾象、計量時間的漏刻和報告時刻的機械裝置于一體的綜合性觀測儀器，實際上是一座小型的天文臺。

到此為止，瓦特完成了對蒸汽機的整套發(fā)明過程。經(jīng)過他的一系列重大的發(fā)明和改進(jìn)，使蒸汽機的效率提高到原來紐科門機的3倍多，而且配套齊全、性能優(yōu)良、切合實用。瓦特由此博得了第一部現(xiàn)代蒸汽機——高效率瓦特蒸汽機的發(fā)明者稱號。

瓦特JamesWatt（JamesWatt,1736～1819）英國發(fā)明家、工程師。1736年1月19日生于蘇格蘭的一個小鎮(zhèn)格里諾克。1753年他在家鐘表店學(xué)手藝。15歲學(xué)完了《物理學(xué)原理》并獲得了豐富的木工、金屬冶煉和加工等工藝技術(shù)。1753年他在一家鐘表店學(xué)手藝。1753年又跟有名的機械師摩爾根當(dāng)學(xué)徒。經(jīng)過刻苦學(xué)習(xí)，努力實踐，他已能制造難度較高的象限儀、羅盤、經(jīng)緯儀等。1756年在格拉斯哥大學(xué)當(dāng)了儀器修理員。1765年發(fā)明了把冷凝過程從汽缸中分離出來的分離式冷凝器。冷凝器的發(fā)明在蒸汽機的發(fā)展中起了關(guān)鍵性的作用。1768年他制成了一臺單動作蒸汽機。1781年，他發(fā)明了行星式齒輪，將蒸汽機活塞的往運動變?yōu)樾D(zhuǎn)運動1782年他發(fā)明了大動力的“雙動作蒸汽機”并獲得專利1784年他發(fā)明了平行運動連桿機構(gòu)，解決了雙動作蒸汽機的結(jié)構(gòu)問題。1788年他發(fā)明了離心式調(diào)速器和節(jié)氣閥，用來自動控制蒸汽機的運轉(zhuǎn)速度。1790年發(fā)明了蒸汽機配套用壓力計。

為貝爾電話實驗室的工程師，在熱噪聲(Johnson-Nyquistnoise)和反饋放大器穩(wěn)定性方面做出了很大的貢獻(xiàn)他早期的理論性工作關(guān)于確定傳輸信息的需滿足的帶寬要求，在《貝爾系統(tǒng)技術(shù)》期刊上發(fā)表了《影響電報速度傳輸速度的因素》文章，為后來香農(nóng)的信息論奠定了基礎(chǔ)。

1927年，奈奎斯特確定了如果對某一帶寬的有限時間連續(xù)信號（模擬信號）進(jìn)行抽樣，且在抽樣率達(dá)到一定數(shù)值時，根據(jù)這些抽樣值可以在接收端準(zhǔn)確地恢復(fù)原信號。為不使原波形產(chǎn)生“半波損失”，采樣率至少應(yīng)為信號最高頻率的兩倍，這就是著名的奈奎斯特采樣定理。奈奎斯特1928年發(fā)表了《電報傳輸理論的一定論題》。

1954年，他從貝爾實驗室退休。奈奎斯特

奈奎斯特，美國物理學(xué)家，1889年出生在瑞典。1976年在德克薩斯逝世。奈奎斯特對信息論做出了重大的貢獻(xiàn)。奈奎斯特1907年移民到美國并于1912年進(jìn)入北達(dá)克塔大學(xué)學(xué)習(xí)。1917年在耶魯大學(xué)獲得物理學(xué)博士學(xué)位。1917年～1934年在AT&T公司工作，后轉(zhuǎn)入貝爾電話實驗室工作。

物理、電學(xué)了。他18歲時取得了哈佛大學(xué)數(shù)學(xué)和哲學(xué)兩個博士學(xué)位，后來又到德國、英國學(xué)習(xí)，拜著名哲學(xué)家羅素、數(shù)學(xué)家希爾伯特為師，進(jìn)一步深造。

維納已是一個很有名的數(shù)學(xué)家了，但他對其他學(xué)科也很有興趣。在第二次世界大戰(zhàn)末期，有兩個大問題特別引起了他的興趣，一個是電子計算機，另一個是火炮命中率問題。維納和一位年輕工程師合作，從駕駛汽車這種簡單的動作中發(fā)現(xiàn)，人是采用了一種叫“反饋”的控制方法，使汽車按要求行駛。維納又請來了神經(jīng)專家進(jìn)行共同研究，發(fā)現(xiàn)機器和人的控制機能有相似之處。后來，維納又和許多有名科學(xué)家進(jìn)行討論，聽取對方的批評意見，甚至是“攻擊”意見，終于于1948年把自己的研究成果發(fā)表了出來，叫《控制論》。維納

維納生于哥倫比亞市一個猶太人家里。維納4歲開始讀書。9歲時讀中學(xué)，11歲進(jìn)人大學(xué)學(xué)習(xí)．他的數(shù)學(xué)知識已超過大學(xué)一年級學(xué)生的水平，所以轉(zhuǎn)而熱衷于研究化學(xué)、1955年回國。1955年至1966年任中國科學(xué)院力學(xué)研究所所長、研究員，國防部第五研究院院長。1965年至1970年任第七機械工業(yè)部副部長。1970年至1982年任國防科工委科學(xué)技術(shù)委員會副主任，中國科協(xié)副主席。還歷任中國自動化學(xué)會第一、二屆理事長，中國宇航學(xué)會、中國力學(xué)學(xué)會、中國系統(tǒng)工程學(xué)會名譽會長，中科院主席團(tuán)執(zhí)行主任、數(shù)學(xué)